摘要：傳統(tǒng)的機械設備測量儀器，其功能固定、擴展性差，且測試系統(tǒng)開發(fā)時間長。美國國家儀器NI公司于1986年提出的虛擬儀器的概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變革。本文以單片機STC89C55為數(shù)據采集核心硬件，NI公司的LabVIEW為上位機支持軟件，完成數(shù)據實時采集系統(tǒng)設計和對普通圓柱蝸桿的質量快速檢測。采用LabVIEW程序設計多路數(shù)據實時采集與分析，編程者不需要深究相關硬件的專業(yè)知識，也不需要考慮復雜的專門的驅動程序編寫，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函數(shù)。
　　
　　引言
　　
　　傳統(tǒng)的機械設備測量儀器，其功能固定、擴展性差，且測試系統(tǒng)開發(fā)時間長。美國國家儀器NI公司于1986年提出的虛擬儀器的概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變革。其將計算機強大的數(shù)字處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。而NI公司開發(fā)的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW無疑是虛擬儀器的杰出代表。
　　
　　蝸桿傳動過程中，往往會碰到蝸桿蝸輪嚙合中心距測量問題。本系統(tǒng)主要設計交錯放置在檢具底盤上蝸桿副嚙合運動中的傳動中心距以及蝸輪轉角值的位置信息數(shù)據采集電路，并在上位機LabVIEW8．6軟件開發(fā)平臺上實時顯示出位置信息關系曲線以及對采集數(shù)據進行統(tǒng)計分析。
　　
　　1、系統(tǒng)的組成及工作原理
　　
　　圖1為系統(tǒng)組成結構框圖。該光柵測量系統(tǒng)主要由PC工控機、STC89C55、信號接口電路、信號預處理電路以及液晶顯示控制電路組成。其中，角編碼器和光柵尺傳感器組成光柵位移量測量的檢測傳輸平臺，分別輸出蝸輪轉角值和蝸桿副傳動中心距位置信息；然后再經過光電轉換以及整形放大電路，輸出單片機可以識別的相位角相差90°的2路方波序列脈沖信號（A相主信號和B相副信號），另外還輸出一個作為校驗Z信號。硬件接口電路將3路信號輸入到信號預處理電路進行化移脈沖數(shù)據、移動方向以及原點信息的預處理，再由單片機通過數(shù)據總線根據需要讀取、處理和顯示數(shù)據，隨后通過RS232串口總線將采集的多路數(shù)據送入LabVIEW軟件平臺進行檢測以及分析。　　
　　2、系統(tǒng)硬件設計
　　
　　2．1主控芯片
　　
　　本系統(tǒng)的下位機核心控制芯片是單片機STC89C55，其內部程序存儲空間有20KB，片內RAM為1280字節(jié)，外部晶振頻率zui高可以接入40MHz。該單片機不僅具有MCS-51系列單片機的所有特性，而且具有穩(wěn)定性高、功耗低、抗干擾等特點，是目前性價比較高的芯片。由于本系統(tǒng)對實時性要求比較高，所以選用24MHz外部晶振，可提高單片機的處理速度。
　　
　　2．2數(shù)據采集接口電路
　　
　　本系統(tǒng)中光柵尺和角編碼器都屬于增量式光電編碼器，而增量式編碼器系列有各種不同類型的輸出電路方式可以選擇，為了抑制共模干擾和提高傳輸抗干擾性能，設計中采用了差分輸出型方案。由于數(shù)字式傳感器不需要進行A／D轉換，所以需將差分信號轉化為單片機可以識
　　
　　別的單端TTL信號，進而直接進行辨向計數(shù)。AM26C32是NI公司的4路差動線路接收器，將差分信號轉化為單片機可以識別的單端TTL信號，進而直接進行辨向計數(shù)。系統(tǒng)數(shù)據采集接口電路如圖2所示。　　
　　2．3數(shù)據采集電路
　　
　　數(shù)據采集電路主要由信號預處理電路和單片機主控電路組成。信號預處理電路主要完成對方波信號的鑒相與計數(shù)的預處理，是系統(tǒng)硬件設計的關鍵。為了保證計數(shù)的實時性和方便后期功能擴展，結合兩種軟硬件設計特點設計出了較合理的信號預處理電路，如圖3所示。鑒相電路由1個D觸發(fā)器74HC74和2個與非門74HC00組成，可逆計數(shù)電路由2片74HC193組成，低8位計數(shù)值輸出經三態(tài)緩沖芯片74HC245后掛到單片機P1口總線上進行實時查詢。一旦發(fā)生計數(shù)值溢出，就會在外部產生觸發(fā)中斷，單片機進入中斷服務程序通過沒置在鑒相電路中的P2．3口狀態(tài)識別是止轉計數(shù)還是反轉計數(shù)。傳感器校驗信號直接與單片機引腳相連，檢測輸入信號。　　
　　單片機主控電路除了對前端信號初始化計數(shù)預置，數(shù)據組合處理和中斷控制外，還負責將采集到的數(shù)據進行顯示，同時通過串口送入上位機。采用這種計數(shù)方式可以減少硬件資源的消耗，充分利用單片機軟件資源，方便功能擴展，節(jié)約成小，提高實時性。另外，由于單片機I／O端口資源比較有限，所以液晶顯示電路利用74HC595芯片實現(xiàn)單片機I／O引腳功能擴展。
　　
　　3、系統(tǒng)軟件設計
　　
　　3．1下位機軟件設計
　　
　　STC89C55單片機程序采用C語言進行設計，對單片機串口、外部中斷、定時器以及液晶顯示等進行初始化設置，然后通過I／O口實時查詢信號處理電路的計數(shù)值。當硬件電路計數(shù)值溢出時，便在進／借位端口產生相應的下降沿觸發(fā)，外部中斷實時響應并處理相應情況，得到各自的計數(shù)高8位數(shù)據。zui后，與計數(shù)低8位數(shù)據進行數(shù)據組合和換算并將其送入LCD液晶顯示。　　
　　與此同時，單片機實時判斷兩路組合數(shù)據是否超過給定范圍，根據判斷情況進行相應的數(shù)據處理。在主程序讀取數(shù)據期間，單片機隨時通過串口中斷，響應上位機發(fā)來的數(shù)據發(fā)送請求命令和暫停接收命令。單片機主程序流程如圖4所示。
　　
　　3．2上位機軟件設計
　　
　　上位機軟件采用LabVIEW圖形化編程語言來完成控制平臺的設計。LabVIEW程序主要包括前面板（即人機界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實儀器的面板操作，框圖程序應用圖形編程語言編寫，其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應的操作。在系統(tǒng)中，單片機與上位機數(shù)據傳輸是通過RS-232串行方式，因此不需要購買昂貴的數(shù)據采集卡就能簡便且穩(wěn)定地實現(xiàn)數(shù)據傳輸與實時監(jiān)控，滿足了工業(yè)控制的一般要求。
　　
　　在LabVIEW虛擬儀器串行接口編程中，通常用其提供的標準I／O函數(shù)庫VISA，無論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口都可實現(xiàn)計算機與儀器之間的標準軟件通信。
　　LabVIEW前面板如圖5所示，給出了上位機LabVIEW控制平臺的蝸桿副快速檢測平臺。采用模塊化設計思想，系統(tǒng)主要由串口配置與控制模塊、數(shù)據讀取與轉換模塊、數(shù)據顯示、統(tǒng)計與存儲模塊等組成。用戶無需了解模塊內部的程序框圖便可直接通過鼠標在界面上操作，實現(xiàn)上位機數(shù)據采集、處理、顯示、報警、控制等功能。
　　
　　（1）串口配置與控制模塊
　　
　　為了保證計算機與單片機能串口通信，首先應進行串口初始化。根據單片機串口設定方式，在程序框圖設置VISA資源名稱為COM1，波特率為9600，數(shù)據位為8，停止位為1，無奇偶校驗位和流控制。這些初始設定都可以在前面板的相應輸入控件中加以更改。在VISA標準串口函數(shù)庫里面提供的節(jié)點不僅可以實現(xiàn)串口初始化配置，還可以對緩沖區(qū)數(shù)據進行讀寫控制。另外，在程序框圖中所有的功能子模塊都需要在while循環(huán)內，同時用前面板的布爾值丌關控制循環(huán)命令條件端子。
　　
　　（2）數(shù)據讀取與轉換模塊
　　
　　圖6給出了數(shù)據讀取與轉換模塊程序框圖。框圖中，VISAReed節(jié)點用于讀取數(shù)量的字節(jié)。BytcsatPort節(jié)點是VISA串口字節(jié)數(shù)，用于判斷瀆取數(shù)據是否滿足4個字節(jié)，如果為真即滿足條件，則進入數(shù)據讀取模塊，串口字節(jié)數(shù)清空；正確讀取的4個字節(jié)巾前2個字節(jié)為蝸輪角度值，后2個字節(jié)為傳動蝸桿中心距數(shù)據。由于讀串口節(jié)點只能讀取字符串，所以需要進行正確的字符串與數(shù)字之間的轉換，方便后續(xù)的數(shù)據顯示與統(tǒng)計分析。
　　
　　根據模塊化設計思想，系統(tǒng)設計了一個處理數(shù)據轉換功能的子VI模塊。其作用是將存放串口讀取數(shù)據的數(shù)組送入處理數(shù)據轉換VI模塊，并根據事先設定好的控制參數(shù)，得到轉換后的角度和傳動中心距偏差數(shù)據，分別保存于X-Y軸坐標數(shù)組，便于后續(xù)顯示。該轉換模塊中利用LabVIEW所*的公式節(jié)點，直接輸入條件判斷公式和有關端子，而不用創(chuàng)建復雜的框圖節(jié)點，實現(xiàn)了對兩路數(shù)據不同類型的換算和轉換。另外，輸出的角度值可以用來指示當前蝸輪是正轉還是反轉，而輸出的傳動中心距偏差值可以用來指示蝸桿目前狀態(tài)。控制參數(shù)正確設置對系統(tǒng)設計是極為重要的。
　　
　　角編碼器和光柵尺的光柵線數(shù)分別決定了其所能分辨的zui小角度和傳動中心距長度，而理論中心距是檢測蝸桿的理想參數(shù)，它與精度等級共同決定了傳動中心距的極限偏差值，通過現(xiàn)行機械設計手冊查找得出。在本設計中，提供的光柵尺測量精度為0．01mm，選用的精度等級不能過高。從設計中選用的第9等級精度可知，待檢測蝸輪副實際中心距偏差值不能超過60mm，一旦超過設定的測量范圍將會報警提示，并顯示蝸桿質量不正常。
　　
　　（3）數(shù)據顯示、統(tǒng)計與存儲模塊
　　
　　LabVIEW是號為測量、分析數(shù)據并提交結果而設計的，其強大的圖表和圖形組件體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。由于坐標圖不同于簡單的波形圖，其可以有不同類型的數(shù)據輸入，因此不能簡單互連，故坐標圖需要將X數(shù)組和Y數(shù)組分別轉換成動態(tài)數(shù)據類型后綁定為一個簇連接到坐標圖中。本設計在前面板的控件選項卡中找到Express類，Express函數(shù)不同于一般的LabVIEW函數(shù)，其可以被視為通用編程問題的解決方案庫。在前面板合適位置放置Express；XY坐標圖后，其在程序框圖中自動地“在幕后”產生了對應圖標，只需要將創(chuàng)建XY圖標的兩個輸入端子直接與來自按名稱釋放簇中X軸和Y軸坐標數(shù)組兩端子分別相連，便會自動匹配數(shù)據輸入格式。不僅如此，測量文件的快速寫入也是通過函數(shù)面板中WriteToMeasurementFileExpressVI加以配置，如何格式化文件以及保存數(shù)據內容。通過在前面板設置數(shù)據保存開關，便可以靈活記錄和實時訪問已測量過的數(shù)據值。
　　
　　4、結語
　　
　　本文以單片機STC89C55為數(shù)據采集核心硬件，NI公司的LabVIEW為上位機支持軟件，完成數(shù)據實時采集系統(tǒng)設計和對普通圓柱蝸桿的質量快速檢測。采用LabVIEW程序設計多路數(shù)據實時采集與分析，編程者不需要深究相關硬件的專業(yè)知識，也不需要考慮復雜的專門的驅動程序編寫，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函數(shù)。實踐表明，該系統(tǒng)縮短了開發(fā)周期，并且具有硬件電路設計簡單、實時性好、測試穩(wěn)定、功能可擴展的特點。